[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface Assisted UAV Communication: Joint Trajectory Design and Passive Beamforming

Sixian Li, Bin Duo외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 14인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 RIS 보조 UAV 통신에서 평균 구현 가능한 속도를 최대화하기 위해 UAV 항로와 재구성 가능 지능형 표 superfuce(RIS) 수동 beamforming을 공동 최적화하는 프레임워크를 제안한다. 신호 위상 정렬을 위한 폐쇄형 위상 이동 솔루션을 유도하고, 궤적 최적화에 대해 순차적 볼록 근사(Sequential Convex Approximation, SCA)를 적용함으로써, 특히 차단물이 많은 도심 환경에서 벤치마크 대비 뚜렷한 속도 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Thanks to the line-of-sight (LoS) transmission and flexibility, unmanned aerial vehicles (UAVs) effectively improve the throughput of wireless networks. Nevertheless, the LoS links are prone to severe deterioration by complex propagation environments, especially in urban areas. Reconfigurable intelligent surfaces (RISs), as a promising technique, can significantly improve the propagation environment and enhance communication quality by intelligently reflecting the received signals. Motivated by this, the joint UAV trajectory and RIS's passive beamforming design for a novel RIS-assisted UAV communication system is investigated to maximize the average achievable rate in this letter. To tackle the formulated non-convex problem, we divide it into two subproblems, namely, passive beamforming and trajectory optimization. We first derive a closed-form phase-shift solution for any given UAV trajectory to achieve the phase alignment of the received signals from different transmission paths. Then, with the optimal phase-shift solution, we obtain a suboptimal trajectory solution by using the successive convex approximation (SCA) method. Numerical results demonstrate that the proposed algorithm can considerably improve the average achievable rate of the system.

연구 동기 및 목표

• 도심에서의 차단으로 인한 성능 저하를 완화하기 위해 UAV 네트워크의 스펙트럼 효율성과 통신 품질을 향상시키기 위해.
• 실제 이동성 및 위상 제약 조건 하에서 UAV 항로와 RIS 수동 beamforming의 비볼록 공동 최적화 문제를 해결하기 위해.
• RIS 보조 UAV 다운링크 시스템에서 평균 구현 가능한 속도를 최대화하기 위해.
• beamforming 및 항로 하위문제로 분해함으로써, 부분 최적화이지만 효과적인 해법을 개발하기 위해.

제안 방법

• 문제는 두 하위문제로 분해된다: 직접 UAV-사용자 및 반사된 UAV-RIS-사용자 링크의 위상 정렬을 위한 수동 beamforming 최적화, 그리고 이동 제약 조건 하의 항로 최적화.
• 직접 UAV-사용자 링크와 반사된 UAV-RIS-사용자 링크의 신호 위상 정렬을 위해 RIS 위상 이동에 대한 폐쇄형 해를 도출한다.
• 비볼록 항로 최적화 문제를 반복적으로 볼록 하위문제로 근사하기 위해 순차적 볼록 근사(Sequential Convex Approximation, SCA) 방법을 적용한다.
• UAV의 3차원 항로는 N개의 시간 슬롯 동안의 수평 위치 시퀀스로 모델링되며, 최대 속도 및 초기/최종 위치 제약 조건이 포함된다.
• 구현 가능한 속도는 거리에 의존하는 경로 손실과 위상 이동에 의해 유도되는 신호 합성 이득의 함수로 공식화된다.
• 알고리즘은 주어진 항로에 대해 위상 이동을 최적화하고 SCA를 사용해 항로를 갱신하는 방식으로 번갈아가며 실행되며, 국소 최적 해로 수렴한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도심 환경에서 LOS 차단이 존재할 경우, RIS 수동 beamforming과 UAV 항로를 공동으로 최적화하여 시스템 총역도를 최대화하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 주어진 UAV 항로에 대해 사용자 장치에서 최적의 신호 전력 합성을 가능하게 하는 폐쇄형 위상 이동 전략은 무엇인가?
• RQ3 UAV 이동성과 RIS 반사의 공동 설계가 별도 최적화 또는 고정된 항로 대비 평균 구현 가능한 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 UAV 항로 또는 beamforming만 최적화하는 데비치마크 알고리즘 대비 공동 최적화를 통해 달성 가능한 성능 향상은 무엇인가?
• RQ5 시간 지속 시간 T가 제안된 공동 최적화 프레임워크의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 공동 항로 및 beamforming(Joint Trajectory and Passive Beamforming, JT&PB) 알고리즘은 모든 벤치마크 알고리즘보다 유의미하게 높은 평균 구현 가능한 속도를 달성하며, 시간 지속 시간 T가 증가할수록 더욱 두드러진다.
• T = 740 s일 경우, JT&PB 알고리즘은 T/NPB, HT/PB, HT/NPB를 능가하며, 최적의 곡선형 항로와 비균형적인 정지 위치를 통해 더 높은 속도를 달성한다.
• JT&PB 항로에서는 사용자 위에 직접 정지하는 것을 피하며, 직접 링크와 RIS 반사 링크 간의 채널 이득을 균형 있게 조절하여 신호 전력 최대화를 달성한다.
• 폐쇄형 위상 이동 솔루션은 실시간 구현을 가능하게 하며, 다중 경로 신호의 위상 정렬을 보장하여 건설적 신호 합성에 필수적인 역할을 한다.
• SCA 기반 항로 최적화는 국소 최적 해로 수렴함으로써 강건성과 실용적 타당성을 입증한다.
• 시뮬레이션 결과는 UAV 항로 또는 RIS beamforming만 최적화하는 방법에 비해 공동 최적화가 상당한 성능 향상을 이끌어내며, 공통 설계의 必要성을 입증한다.